Ein Fundament für die Industrie 4.0 Echtzeit-Kommunikation mit OPC UA TSN

Für die Steuerung mehrerer Fertigungsroboter, deren Bewegungsablauf aufeinander abgestimmt sein muss, sind Echtzeitanforderungen zwingend erforderlich.

Die M2M-Kommunikation für Industrie 4.0 wird über OPC UA laufen. Aktuell wird das Protokoll um den IEEE-Standard TSN erweitert, der einen Echtzeit-Datentransfer über Ethernet ermöglicht. Damit lassen sich OPC-UA-Daten über reguläres Ethernet in alle Ebenen der Automatisierungspyramide übertragen.

2015 stellten die an der Plattform Industrie 4.0 beteiligten Wirtschaftsverbände das Referenzmodell RAMI 4.0 vor, das als einheitliche Architekturvorlage für Industrie 4.0 dienen wird. Die Gruppe machte deutlich, dass bei der Auswahl einer gemeinsamen Kommunikationsschicht für Industrie 4.0 nur der OPC-UA-Standard (IEC 62541) ihre Anforderungen erfüllen konnte. OPC UA (Open Platform Communications – Unified Architecture) wurde unter anderem aufgrund seiner Schlüsselkompetenzen in den Bereichen Datensicherheit und Datenmodellierung ausgewählt. Ein weiterer Faktor war die Möglichkeit, OPC UA durchgehend auf allen Ebenen der Industrieinfrastruktur einzusetzen – von Cloud-basierten Diensten über Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP) und Produktionsleitsysteme (Manufacturing Execution Systems, MES) bis hinab in die Feldebene.

Um das Ziel von offenen, standardbasierten Industrie-4.0-Architekturen zu erreichen, sollen Bereiche, die bisher abgekapselt wurden, in das einheitliche Kommunikationsmodell integriert werden. Dazu gehören beispielsweise Echtzeitsteuerung und Sicherheitsanwendungen. Aus diesem Grund arbeitet eine Gruppe von Unternehmen in der OPC Foundation zusammen, um zwei zukünftige Standarderweiterungen zu kombinieren: das Publish-Subscribe-Modell der OPC UA und das TSN (Time Sensitive Networking) des IEEE. Durch diese Kombination können OPC-UA-Daten auf allen Infrastrukturebenen über reguläres Ethernet übertragen werden. An dieser Arbeit ist auch das österreichische Unternehmen TTTech beteiligt, das seine Erfahrung im Bereich Echtzeitsteuerung auf verschiedenen Märkten, beispielsweise Luft- und Raumfahrt oder Automobilbau, in das Projekt einfließen lässt.

Die TSN-Arbeitsgruppe des IEEE arbeitet seit 2012 an der Standardisierung der Datenübertragung mit geringer Latenz und hoher Verfügbarkeit über Ethernet-Netzwerke. Der Begriff TSN bezeichnet gegenwärtig einen Bestand von IEEE‑802-Ethernet-Substandards (siehe Tabelle), die verschiedene Mechanismen für verbesserte oder sogar garantierte Echtzeitzustellung von Daten beschreiben. In erster Linie definiert TSN den ersten IEEE-Standard für zeitgesteuerte Nachrichtenweiterleitung in einem Switched-Ethernet-Netzwerk, um eine deterministische Echtzeitkommunikation innerhalb der Normenreihe 802 zu ermöglichen. Dafür wird eine globale Zeitbasis und ein Schedule genutzt, der deterministische Nachrichtenpfade über mehrere Netzwerkkomponenten hinweg definiert. Durch die Definition von Queues, die ihre Nachrichten auf Grundlage eines Zeitplans übertragen, stellt TSN eine begrenzte maximale Latenz für die zeitgetaktete Datenübertragung durch Switched-Netzwerke sicher. Bei Steuerungsanwendungen mit streng deterministischen Anforderungen bietet TSN eine Möglichkeit, zeitkritische Daten über eine reguläre Ethernet-Infrastruktur zu senden. Dies ermöglicht die Konvergenz aller Datenklassen und multipler Anwendungen in einem Netzwerk. Die Konfiguration von TSN-Netzwerken erfolgt für gewöhnlich offline oder dynamisch durch eine zentrale Netzwerk-Entität (CNC).